Аллотропные вещества: алмаз и графит. Формула графита и алмаза

Графит – уникальный самородный минерал, аллотропная модификация элемента углерода, наиболее устойчивая в земной коре. Свойства графита хорошо изучены и находят широкое применение. Образуется графит в результате вулканической деятельности при высоких температурах, поэтому и находят его в природе в магматических горных породах, где содержание кристаллического графита может доходить до 50%. Встречается графит также совместно с вольфрамитом - в кварценосных жилах, совместно с другими минералами – в полиметаллических среднетемпературных месторождениях, а в таких метаморфических породах, как мраморы, гнейсы, сланцы, графит распространен очень широко. Крупное графитовое месторождение находится в Тунгусском каменноугольном бассейне, образовавшееся в результате высокотемпературного воздействия на уголь – так называемая скрытокристаллическая форма графита, содержание которого лежит в пределах от 60 до 80%.

Структура графита

В кристаллической структуре графита различаются две ее модификации: гексагональную, или а-модификцию, и ромбоэдрическую, или β-модификацию. В альфа-графите каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами sp-3-гибридными облаками, образуя кристаллический слой, состоящий из правильных шестигранников. Каждый слой удерживается с другим, параллельным ему слоем, за счет ван-дер-вальсовских сил. Причем, центры шестигранников верхнего и каждого нижнего слоев совпадают, однако слои смещены относительно друг друга на 0,1418 нм в горизонтальном направлении и в порядке «через один». Слоистая структура объясняет многие свойства графита.

В бетта-графите атомы слоев связаны между собой точно так же, но чередование горизонтального смещения происходит через два слоя. Ромбоэдрическая структура считается нестабильной, разрушающейся при температуре более 2230о, но в природных графитах с гексагональной структурой встречается до 30% β-модификации графита.

Физические свойства графита

Цвет графита варьирует от железо-черного до стального серого с характерным металлическим блеском. На ощупь минерал жирный, скользкий, пачкает пальцы и бумагу, при механическом воздействии расслаивается на отдельные чешуйчатые частицы. Именно это свойство графита позволяет применять его в карандашах.

По сравнению с алмазом графит обладает меньшей твердостью и плотностью, а также графит электропроводен. Его теплопроводность зависит от степени нагрева и колеблется в пределах от 278,4 до 2435 Вт/(м*К).

Графит обладает чрезвычайной огнеупорностью, его температура сгорания - 38500С.

Химические свойства графита

Графит химически малоактивен: в кислотах не растворяется, с некоторыми солями и щелочными металлами образует соединения наподобие включений. С кислородом воздуха реагирует только при очень высокой температуре, образуя углекислый газ. Возможно фторирование графита с образованием (CF)x.

Применение графита

Техническое применение минерала чрезвычайно разнообразно и обусловлено свойствами графита, главным образом его огнеупорностью и электропроводностью. Так, в металлургии графит используется для производства тугоплавких тиглей, чехлов для термопар, емкостей для кристаллизации. В литейном производстве графитовый порошок используется в качестве антипригарной присыпки, а также для смазывания литейных форм.

Из коллоидно-графитовых смесей таких как графит С-1 изготавливают шлифовальные и полировочные пасты.

Хорошие электропроводящие позволяют использовать его для производства электродов и контактов некоторых электрических приборов. Кроме производства карандашей, графит используется для изготовления красок и термостойких смазочных материалов, для наполнения пластмасс.

Даже в атомной энергетике замечательные свойства графита находят свое применение, в первую очередь, это его способность замедлять электроны в реакторах. В ракетостроении сопла ракетных двигателей и многие элементы теплозащиты также производятся с применением графита.

Графит - минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Распространенный в природе минерал. Встречается обычно в виде отдельных чешуек, пластинок и скоплений, разных по величине и содержанию графита. Различают месторождения кристаллического графита, связанного с магматическими горными породами или кристаллическими сланцами, и скрытокристаллического графита, образовавшегося при метаморфизме углей.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Различают две модификации графита: α-графит (гексагональный P63/mmc) и β-графит (ромбоэдрический R(-3)m). Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.

β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

СВОЙСТВА

Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного твёрже, и становится очень хрупким. Плотность 2,08-2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10-12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).

Теплопроводность графита от 278,4 до 2435 Вт/(м*К), зависит от марки графита, от направления относительно базисных плоскостей и от температуры.

Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном - в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300-1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Коэффициент теплового расширения графита до 700 К отрицателен в направлении базисных плоскостей (графит сжимается при нагревании), его абсолютное значение с повышением температуры уменьшается. Выше 700 К коэффициент теплового расширения становится положительным. В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, коэффициент теплового расширения положителен, практически не зависит от температуры и более чем в 20 раз выше среднего абсолютного значения для базисных плоскостей.

Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость незначительна в базисной плоскости и велика в ортогональных базисным плоскостях. Коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный при 2400 К.

МОРФОЛОГИЯ

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов.
Сопутствующие минералы: кварц, пирит, гранаты, шпинель.

ПРИМЕНЕНИЕ

Является замедлителем нейтронов в ядерных реакторах, компонентом состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином).
Используется для получения синтетических алмазов, в качестве эталона длины нанометрового диапазона для калибровки сканеров сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа, для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт, для изготовления тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов.

Графит (англ. Graphite) — C

КЛАССИФИКАЦИЯ

Графит – это минерал, используемый в самых разных областях промышленности. Такая его популярность обусловлена уникальными свойствами (мягкости, легкой механической обработке, высокой электропроводности, химической инертности).

Существуют искусственные виды этого материала, которые также являются весьма востребованными. Их используют не только в разных сферах промышленности, но и для проведения микроскопических исследований (как калибровочный материал).

Применение искусственного графита

Используется в таких промышленных отраслях:

• Машиностроение;
• Атомная техника;
• Металлургия;
• Производство электротехники;
• Химическая промышленность.

Нередко применяются разновидности искусственного графита, пропитанные различными синтетическими смолами. Они используются для создания химической аппаратуры, незаменимы при изготовлении запорной или соединительной арматуры.

Из искусственного графита изготавливают также:

• Торцевые уплотнения;
• Подшипники;
• Реакторные корпуса;
• Футеровочные плитки.

Использование натурального графита

Этот минерал обладает широчайшим спектром применения и является незаменимым в самых разных промышленных отраслях.

Где используется графит:

• Машиностроение;
• Химическая промышленность;
• Металлургия;
• Производство строительных материалов – этот минерал служит одной из незаменимых составляющих при производстве кирпичей, в частности, огнеупорных;
• Атомная энергетика – его применяют в роли замедлителя нейронов;
• Производство электрических приборов – для изготовления электроконтактов, а также электродов;
• Медицина.

Использование графита в металлургии:

• В этой сфере из графита изготавливают формы для сплавов, тугоплавкие ковши, а также емкости, в которых проходит кристаллизация;
• Из него изготавливаются плавильные тигли;
• Графит может быть использован для насыщения металлов углеродом (то есть карбонизации), а также создания химически активных металлов;
• Графитовый порошок часто применяется в качестве смазки литейных форм.

Машиностроение: для чего используется графит

В этой отрасли использование минерала также весьма разнообразно. Его свойства делают графит незаменимым при создании самой различной продукции.

В машиностроении из графита производят:

• Футировочные плиты;
• Электроды (графитированные);
• Разнообразные нагревательные элементы;
• Порошки и пасты для уплотнения контактов, например, в стыковых люфтах;
• Скользящие контакты (электрощетки);
• Подшипники, уплотнительные кольца;
• Электростатические покрытия.

Графит в химической промышленности:

• Из этого минерала производят разнообразные смазки, которые используются и на производстве, и в быту;
• Является наполнителем для некоторых видов пластмасс;
• Применяется для синтеза искусственных алмазов;
• Незаменим при изготовлении красок, которые обладают отличными антикоррозионными свойствами, а также различных лаков;
• Используется как наполнитель для технологических смесей;
• Может служить пластификатором;
• Является одним из компонентов клея для соединения прорезиненых тканей;
• Входит в состав присадок и антифрикционных наполнителей (для трансмиссионных или моторных масел), охлаждающих жидкостей;
• Применяется для изготовления щелочных аккумуляторов.

Графит: применение в медицине

Этот минерал входит в состав множества лекарственных средств (прежде всего гомеопатических). Его применяют при дерматологических заболеваниях, а также при образовании рубцов или спаек, нарушении обменных процессов.

Также из черного графита изготавливаются карандаши.

Слово графит в переводе с греческого обозначает «пишу». Минерал с таким названием у природе образуется при высокой температуре в вулканических горных породах.

Характеристики графита

Графит является представителем класса самородных элементов высокой прочности. Его структура обладает большим количеством слоев.

В природе встречается два вида графита:

• крупнокристаллический,
• мелкокристаллический.

По величине кристаллов и по их расположению относительно друг друга в природе встречаются следующие типы графитов:

• явнокристаллические,
• скрытокристаллические.

У графита структура является достаточно слоистой. Каждый из слоев обладает волнистой формой. Она является слабовыраженной.

Графит представляет собой один из элементов, который состоит преимущественно из кристаллов разных размеров. Они имеют пластичную структуру и небольшие чешуйки по краям. По своей прочности они могут сравниться алмазами.

Кристаллическая решетка графита состоит из большого количества слоев, которые имеют различное расположение относительно друг друга.

Сегодня не редко производится искусственный графит, который создается из смеси различных веществ. Он используется в разных отраслях человеческой жизнедеятельности. Графит, полученный искусственным путем, обладает большим количеством видов.

В современном мире планируется из графита добывать золото. Ученые выяснили, что в одной тонне графита содержится примерно 18 граммов золота. Данное количество золотой руды присуще золотым месторождениям. В настоящее время получать золото из графита есть возможность не только в нашей стране, но и в других государствах мира.

Физические свойства графита

Одним из главных свойств графита является его способность проводить электрический ток. Его физические свойства отличаются от параметров алмаза тем, что у него не такой высокий уровень твердости. Его структура является изначально довольно мягкой. Однако после нагревания она становится твердой и хрупкой. Материал начинает рассыпаться.

Физические свойства графита являются следующими:

1. не растворяется в кислоте.
2. плавление графита при температурах меньше 3800 градусов Цельсия невозможно.
3. после нагревания приобретает твердую и хрупкую структуру.

Это далеко не все свойства графита. Есть еще параметры, которые делают этот элемент уникальным.

Графиту присущи следующие характеристики:

• температура плавления графита составляет 3890 градусов Цельсия,
• цвет графита является темно-серым с металлическим отливом,
• теплоемкость графита составляет 0.720 кДЖ
• удельное сопротивление графита составляет 800.000 · 10− 8 (Ом · Метр).

Внимание: Единственный параметр из всех характеристик графита, который зависит от вида элемента, является теплопроводность графита. Она составляет 278,4 до 2435 Вт/(м*К).

Таблица. Физические свойства графита.

Добыча графита

Добыча графита является сложным процессом. Для этого создано большое количество разновидностей оборудования. Оно используется для добычи и дробления элемента. Залежи графита обычно находятся глубоко под землей. Именно по этой причине чаще всего используются бурильные установки, которые позволяют добраться до месторождения этого элемента.

Применение графита

Как известно такой материал, как графит обладает большим количеством уникальных качеств. Именно они обуславливают сферы его применения. Благодаря тому. что данный материал обладает устойчивостью к высоким температурам его применяют для производства футеровочных плит.

Применение графита используется и в сфере ядерной промышленности. Там он играет важную роль при замедлении нейтронов.

Получение алмаза из графита тоже возможно. В современном мире есть возможность получать синтетический алмаз, который по своим качествам и внешнему виду будет напоминать природный материал.

Пиролитический графит представляет собой особую форму такого элемента, как графит. Данная его разновидность нашла широкое применение в сфере микроскопических исследований. Его применяют в качестве калибровочного материала.

Графит. Свойства, применение

Чаще всего его используют в сканирующей туннельной микроскопии и в атомно-силовой микроскопии. Данная разновидность графита относится к разряду синтетических. Его получение возможно при нагревании кокса и пека.

Благодаря графиту можно получать активные металлы с химической точки зрения путем электролиза. Данный метод использования элемента объясняется тем, что у графита достаточно хорошая электропроводность.

При производстве пластмассовых изделий графит тоже нашел свое применение. Его используют для наполнения пластмассы.

Самым известным методом использования графита является производство стержней для обычных простых карандашей, к которым так привыкли люди.

Что такое графит? Формула, свойства и применение графита

Графит. Свойства, применение

Графиты - вещества серого цвета с металлическим блеском, аморфного, кристаллического, или волокнистого сложения, жирные на ощупь, удельный вес от 1,9 до 2,6.
По внешнему виду графит, имеет металлический свинцово-серый цвет, колеблющейся от серебристого до черного, с характерным жирным блеском.
Поэтому потребители зачастую называют явнокристаллические графиты серебристыми, а скрытокристаллические - черными.

В зависимости от структурного строения графиты делятся на:
явнокристаллические,
скрытокристаллические,
графитоиды,

Графитовая шахта. Фото: born1945

Кристаллическая решетка графита состоит только из атомов углерода. Кристаллической решетке графита присуща ярко выраженная слоистая структура, расстояние между слоями 0,335 нм. В кристаллической решётке графита каждый атом углерода связан с тремя другими окружающими его атомами углерода. Кристаллическая решетка графита бывает двух типов: гексагональная (α-графит) и ромбоэдрическая (β-графит, метастабильная форма). Атомы углерода каждого слоя кристаллической решётки α-графита расположены напротив центров шестиугольников, находящихся в соседних (нижнем и верхнем) слоях; положение слоев повторяется через один, каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм (укладка АВАВА). В ромбоэдрической решетке β-графита положение плоских слоев повторяется не через один слой, как в гексагональной решётке, а через два. Несмотря на то, что β-графит метастабилен, в природном графите его содержание может доходить до 30%. При температурах 2230-3030°С ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный. Альфа-графит и бета-графит обладают сходными физическими свойствами (за исключением несколько отличающейся структуры графена).
Электропроводность кристаллов графита анизотропна: близка к металлической в направлении, параллельном базисной плоскости, и на порядок меньше в перпендикулярном направлении. Анизотропия характерна также для звукопроницаемости (акустических свойств) и теплопроводных свойств графита.

Свойства графита

Широкое применение графита основывается на нескольких уникальных свойствах:
— хорошая электропроводность;
— устойчивость к агрессивным средам;
— устойчивость к высоким температурам;
— высокая смазывающая способность.

Электрические свойства
Электропроводность графита в 2,5 раза больше электропроводности ртути. При температуре 0 град. удельное сопротивление электрическому току находится в пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротивления для всех видов графита одинаков и равен 0,0075 ом.

Термические свойства

Температура плавления графита - 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм.

Магнитные свойства

Левитация графита. Фото: yellowcloud

Растворимость графита

Упругость графита

Оптические свойства

Применение графита

Природные графиты применяются во многих технологических и производственных процессах: огнеупоры (высококачественные, графито-магниевые, алюмо-графитовые), литейное производство, тормозные накладки, смазки, карандашное производство, тигли, гальванические батареи, щелочные аккумуляторы, порошковая металлургия, углеграфитовая материалы (электрощетки, электроугольные изделия, антифрикционные материалы), производство стали, терморасширенный графит, другие области (красящие и полирующие вещества),противоугарные материалы, детали для электротехники, магнитные ленты, производство промышленных алмазов, суспензии охлаждающие и смазывающие).

Графиты искусственные измельченные — предназначены для науглероживания чугуна и стали в мартеновском, кислородно-конверторном и электросталеплавильном процессах при выплавке стали с пониженной долей чугуна в шихте, для вспенивания шлаков в металлургических процессах, при изготовлении углеграфитовых материалов и изделий, в качестве наполнителя для графитопластов и как самостоятельные продукты в других потребляющих производствах.

Отечественная промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные - гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для электровакуумной техники и техники связи.

Графит служит высокоогнеупорной отощающей добавкой в керамических массах. Тигельной массе он сообщает высокую огнеупорность, теплопроводность и термическую стойкость, придает тиглям гладкую поверхность, к которой плохо пристает расплавленный металл. Он восстанавливает при высоких температурах металлические окисли и препятствует окислению металла.

Наибольшее значение имеет производство графитовых плавильных тиглей, а также крышек к ним. Кроме того, из графита изготавливаются надставки и подставки к тиглям, тигли для специальных печей, реторты. Ванны для пайки, ванны для обжига карандашных стержней, графитокарборундовые муфели и другие изделия. В качестве высокоогнеупорного материала кристаллический графит применяется при изготовлении высококачественных высокоогнеупорных облицовочных изделий для кладки доменных печей, топок, паровых котлов.

Растворение — графит

Cтраница 1

Растворение графита в у-фазе является важным процессом при нормализации (а также и при закалке) чугуна с ферритной или феррито-перлитной структурой. Этот процесс подобен цементации стали; разница в том, что при цементации происходит насыщение поверхностного слоя стальной детали углеродом из внешней среды, а при нагреве чугунной отливки карбюризатором являются многочисленные включения графита, расположенные в металлической основе, и насыщение углеродом происходит во всем объеме отливки. На растворение углерода в аустените чугунной отливки влияет температура: с повышением температуры нагрева растворимость углерода в у-фазе резко увеличивается. В результате нормализации чугуна с исходной структурой основной массы феррит или феррит и перлит получается структура перлита или сорбитообразного перлита с повышенной твердостью и прочностью.  

Процесс растворения графита достаточно быстро происходит лишь при высоких температурах.  

По мере растворения графита на холодном контакте и повышения концентрации углерода в расплаве зона, где СГ (ТХ) СА (ТХ), расширяется в сторону высоких температур и более низких пересыщений.  

Термодинамические данные для растворения графита пока еще скудны и нередко разноречивы. Не вполне ясен вопрос об энтальпии процесса.  

При нагреве происходит растворение графита в аустените, в связи с чем, несмотря на различную исходную структуру чугуна, превращению при охлаждении подвергается аустенит с эвтектоид-ной или заэвтектоидной концентрацией углерода.  

Обра-1 зующиеся при растворении графита и обезуглероживании чугуна поры частично или полностью заполняются окислами. Наряду с железом окисляются кремний и марганец, образующие с кислородом стойкие соединения. Как и на поверхности, окисленный слой в объеме отливок имеет гетерогенное строение.  

Возможность образования пор при растворении графита следует из данных дилатометрического анализа. Если бы процесс растворения графита был обратим, размеры образцов при выделении и растворении графита изменялись бы на одну и ту же величину, но противоположную по знаку.  

Установлено, что при растворении графита в жидком железе величина Д) / с имеет положительное значение на всем интервале концентраций и при NG 0 1 близка к 5000 кал / моль. Изменение энтропии ДЛ с превышает значения, отвечающие идеальным растворам; при повышении концентрации углерода фактические значения ДЛ с убывают быстрее по сравнению с соответствующими величинами, отвечающими идеальным растворам.  

Таким образом, основным механизмом растворения графита является, по-видимому, прямая контактная диффузия. В этом случае науглероживание железа может быть результатом диффузии углерода по поверхности поры до тех участков, где контакт с матрицей сохранился, и в дальнейшем путем граничной и объемной диффузии. Большого различия в науглероживании по контуру включения не наблюдается, что может реализоваться в том случае, если поверхностная диффузия значительно преобладает над объемной. Во многих диффузионных парах такое соотношение скоростей диффузии в действительности имеет место, однако, в какой мере это может оказаться справедливым для Fe — Si — С-сплавов, неизвестно.  

Исходя из рассмотренной выше микроскопической картины растворения графита, нетрудно объяснить эффект температуры аустенитизации и поверхностно-активных примесей. При нагреве растворимость углерода в аустените возрастает, так что уменьшение когезии графита сопровождается увеличением адгезии графита к матрице. Вследствие этого восстановление контакта двух фаз путем разрушения графита реализуется чаще. Одновременно с нагревом увеличивается и роль газов. Присадка в чугун элементов, снижающих поверхностное натяжение матрицы и тем самым ослабляющих адгезию, должна препятствовать науглероживанию. Задерживать растворение могут и примеси, увеличивающие силы связи в базисных плоскостях графита.

Свойства графита

Второй вид взаимодействия имеет место при растворении графита или алмаза в жидких металлах. В этих условиях смачивание графита менее интенсивно, чем в первом случае.  

Второй путь состоит в использовании термодинамических характеристик процессов, связанных с растворением графита в жидком железе.  

Страницы:      1    2    3    4

ГРАФИТ (от греческого grapho — пишу * а. graphite, black lead, plumbago; н. Graphit; ф. graphite; и. grafito) — минерал класса самородных элементов, одна из полиморфных модификаций углерода, термодинамически стабильная в условиях земной коры. Примеси газов (CO2, CO, Н, CH4), иногда воды, битумов, а также Si, Al, Mg, Ca и др. Кристаллизуется в гексагональной сингонии. Структура слоистая. Хорошо образованные кристаллы редки, они имеют вид шестиугольных табличек с хорошо развитой гранью базопинакоида. Отмечаются двойники. Обычно образует чешуйчатые, столбчатые, массивные, почковидные, сферолитовые, сферолитоподобные и цилиндрические зональные агрегаты.

Свойства графита

Природные графиты различают по величине кристаллов и их взаимному расположению на явнокристаллические и скрытокристаллические.

Применение графита в различных промышленных отраслях

Размер первых превышает 1 мк, вторых — меньше 1 мк. В промышленности по величине кристаллов выделяют крупнокристаллические (свыше 50 мкм), мелкокристаллические (менее 50 мкм) и тонкокристаллические (менее 10 мкм) графиты. Спайность по пинакоиду весьма совершенная. Черта тёмно-серая до чёрного. Жирен на ощупь, пачкает руки. Блеск металлический. Анизотропен. Твердость по минералогической шкале 1-2. Плотность 2250 кг/м3. Огнеупорен — не плавится при нормальном давлении, температура сублимации выше 4000 К. Электропроводен — электрическое сопротивление кристаллов 0,42.10-4 Ом/м, тонкодисперсных порошков — 8-20.10-2 Ом/м. Химически стоек. Характерны также низкий модуль упругости, высокая удельная теплоёмкость, хорошее сопротивление термическому удару, коррозионная стойкость, высокая замедлительная способность нейтронов и малое сечение их захвата. По происхождению — метаморфический, магматический. Промышленные скопления связаны в основном с метаморфическими месторождениями. Магматические месторождения редки и приурочены к щелочным и ультраосновным породам. Вещественный состав руд зависит от генезиса. Обычно присутствуют силикатные минералы (кварц, полевой шпат, слюда, глинистые минералы). В мраморах с графитом обычно ассоциируют карбонаты. В качестве попутных полезных ископаемых могут добываться нефелин, волластонит и каолинит. Различают три типа графитовых руд: чешуйчатые, плотнокристаллические, скрытокристаллические.

Месторождение графита

Месторождения чешуйчатого графита локализуются в гнейсах, кварцитах, мраморах. Образуются при метаморфизме древних осадочных толщ. Форма залежей пласто- и линзообразная, выдержана по мощности и протяжённости. Графитовые чешуйки образуют рассеянную вкрапленность в породе. Содержание углерода в руде составляет в среднем 3-18%. Месторождения графита известны в CCCP (например, Тайгинское, Урал; Завальевское, УССР), Австрии, ЧССР, ФРГ, Индии, на Мадагаскаре (район Фанандрана), в Бразилии, KHP, Канаде.

Плотнокристаллический графит слагает жилы и линзы в месторождениях гидротермально-пневмалитового генезиса или гнезда, линзы и вкрапленность в контактово-реакционных месторождениях. Пневматолито-гидротермальные месторождения связаны с согласными, реже секущими пегматитовыми, кварцевыми, полевошпатовыми и кальцитовыми жилами. Контактово-реакционные месторождения приурочены к зонам контакта обогащенных углеродом карбонатных и сланцевых пород со щелочными и габброидными породами, реже гранитами. Руды сложены полевым шпатом, кварцем, реже слюдами, карбонатом; в скарновых зонах они обогащены гранатом, волластонитом, пироксеном, скаполитом, а также минералами щелочных и габброидных пород (нефелином, канкринитом, содалитом, сфеном, апатитом). Графит (от крупно- до тонкокристаллического) слагает чешуйчатые и волокнистые агрегаты. Содержание в рудах 15-40%, на некоторых месторождениях 60-90%. Разрабатывается обычно подземным способом. Известные месторождения — Богала (Шри-Ланка) и Ботогольское (CCCP).

Скрытокристаллический графит отличается несовершенной текстурой, часто содержит примесь тонкодисперсного углеродистого вещества. Слагает мощные и протяжённые пластообразные залежи, иногда переходящие в угли. Содержание углерода составляет 80-90%. Основные породообразующие минералы: кварц, полевой шпат, серицит, хлорит, кальцит. Графит образуется при метаморфизме углей, углистых и битуминозных сланцев вблизи интрузий. Залежи разрабатываются открытым и подземным способами. Основные месторождения расположены в Мексике (штат Сонора), Южной Kopee, Австрии (рудник "Кайзерсберг"), CCCP (месторождение Ногинское).

Получение графита

Основной метод обогащения скрытокристаллических руд — рудоразборка, плотнокристаллических и чешуйчатых — флотация. На качество концентратов накладываются ограничения по содержанию золы и гранулометрическому составу (чешуйки графита ценятся по величине). Скрытокристаллические руды размалываются. При флотации чешуйчатых и плотнокристаллических руд используют собиратели — керосин и другие углеводороды; пенообразователи — сосновое масло, спиртовые; регуляторы — соду, щёлочь; депрессоры — крахмал, реагенты на основе декстрина. Для улучшения селекции подаётся жидкое стекло. После флотации следуют мокрая классификация, сушка, воздушная классификация и гидрометаллургические операции, включающие спекание с содой, кипячение огарка, выщелачивание серной кислотой, отмывку, кипячение в содовом растворе, отмывку, сушку и сухую магнитную сепарацию с получением графита в немагнитном продукте. При доводке чешуйчатого доменного графита используется электросепарация.

Запасы и применение

Мировые запасы графита (1978, тысяч т) в капиталистических и развивающихся странах: чешуйчатого — Южная Америка, 136; Европа, 3500; Африка, 5442; Азия, 900; плотнокристаллического — Азия, 2900; скрытокристаллического — Северная Америка (без США), 3084; Европа, 5623; Азия, 6168. О добыче графита см. в ст. графитовая промышленность.

Наряду с природным применяют искусственный графиты, который получают при охлаждении пересыщенных углеродом сплавов, термическим разложением газообразных углеводородов, нагреванием антрацита, нефтяного кокса, каменноугольного пека. Применяются графиты в металлургии (тигли, литейные формы, противопригарные краски), в химическом машиностроении (футеровочный материал, трубы и др.), в производстве коллекторов для динамо-машин, электродов, проводящих порошков, смазочных материалов, антифрикционных изделий, в ядерной технике, в производстве карандашей, красок, теплоизоляционных материалов. Искусственный кусковой графит используют в качестве эрозионностойких покрытий для сопел ракетных двигателей, камер сгорания носовых конусов.

Основные свойства природного графита

Графиты — вещества серого цвета с металлическим блеском, аморфного, кристаллического, или волокнистого сложения, жирные на ощупь, удельный вес от 1,9 до 2,6. По внешнему виду графит, имеет металлический свинцово-серый цвет, колеблющейся от серебристого до черного, с характерным жирным блеском.
Поэтому потребители зачастую называют явнокристаллические графиты серебристыми, а скрытокристаллические — черными.

На ощупь графит жирен и отлично пачкается. На поверхностях он легко дает черту от серебристого до черной, блестящей. Графит отличается способностью прилипать к твердым поверхностям, что позволяет создавать тонкие пленки при натирании им поверхностей твердых тел.

Графит представляет собой алоторопную форму углерода, которая характеризуется определенной кристаллической структурой, имеющей своеобразное строение.

В зависимости от структурного строения графиты делятся на:

• явнокристаллические,
• скрытокристаллические,
• графитоиды,
• высокодисперсные графитовые материалы, обычно называемые углями.
  В свою очередь, явнокристаллические графиты по величине и структуре кристаллов делятся на:
• плотнокристаллические (Боготольское месторождение графита),
• чешуйчатые (Тайгинское месторождение графита).

В чешуйчатых графитах кристаллы имеют форму пластинок или листочков. Чешуйки их жирные, пластичные и имеют металлический блеск.

Важнейшие свойства графита

Электрические свойства

Электропроводность графита в 2,5 раза больше электропроводности ртути. При температуре 0 град.

Графит — описание графита, свойства, добыча, применение, производство

удельное сопротивление электрическому току находится в пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротивления для всех видов графита одинаков и равен 0,0075 ом.

Термические свойства

Графит обладает большое теплопроводностью, которая равняется 3,55вт*град/см и занимает место между палладием и платиной.

Коэффициент теплопроводности 0,041(в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких графитовых нитей теплопроводность выше, чем у медных.
Температура плавления графита — 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм.
Точка кипения доходит до 4200 С.
Температура воспламенения в струе кислорода составляет для явнокристаллических графитов 700-730С. Количество тепла, получаемого при сжигании графита, находится в пределах от 7832 до 7856 ккал.

Магнитные свойства

Графит считается диамагнитным.

Растворимость графита

Химически инертен и не растворяется ни в каких растворителях, кроме расплавленных металлов, особенно тех, у которых высокая точка плавления. При растворении образуются карбиды, наиболее важными свойствами которых являются карбиды вольфрама, титана, железа, кальция и бора.
При обычных температурах графит соединяется с другими веществами весьма трудно, но при высоких температурах он дает химические соединения со многими элементами.

Упругость графита

Графит не обладает эластичностью, но тем не менее он может быть подвергнут резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивление на разрыв такой проволоки равно 2 кг/мм2, а модуль изгиба равен 836 кг/мм2.

Оптические свойства

Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от температуры лучеиспускания тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах 0,52-0,55.

Жирность и пластичность графита являются важнейшими свойствами, которые дают возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита, тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым поверхностям.

Благодаря этим свойствам имеется возможность создавать тонкие пленки при натирании графитом поверхности твердых тел.

Низкий коэффициент теплового расширения графита и связанная с этим высокая стойкость к температурным напряжениям, является решающим фактором применения его, как важного и незаменимого вспомогательного материала в металлообрабатывающей, чугунолитейной и сталелитейной промышленности, т.е. всюду, где рабочие поверхности должны предохраняться от прямого воздействия расплавленного металла. Важным преимуществом при таком использовании является также его несмачиваемость, полностью восстановленными металлами и нейтральными шлаками, прочность при высоких температурах. Применение графита при отливе деталей повышает качество отливов, уменьшает количество брака, и предупреждает образование пригара, на удаление которого требуется большие усилия и затраты.

Сырые литейные формы и стержни покрываются слоем сухого графитового порошка. Чистый графит имеет низкий коэффициент поглощения нейтронов и самый высокий коэффициент замедления, благодаря чему он незаменим в атомных реакторах. Без графитовых электродов немыслимо развитие черной и цветной, химической промышленности.

Графит прекрасный футеровочный материал электролизеров для получения алюминия. Углеродосодержащие материалы применяются для строительства электропечей и других тепловых агрегатов.

Из графита готовятся тигли, лодочки для производства сверхтвердых сплавов.
В химической промышленности материалы из графита незаменимы для производства теплообменников, работающих в агрессивных средах.

А так же для изготовления нагревателей, конденсаторов, испарителей, холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов, деталей для насосов, фильтров.
Отечественная промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные — гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для электровакуумной техники и техники связи.

В машиностроении графит используется как антифрикционный материал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников.

Минералы и горные породы / Описание минерала Графит

[содержание]

Такой распространенный химический элемент, как углерод, встречается в природе в виде двух полиморфных разновидностей. Эти разновидности – графит и алмаз. Хотя формулы графита и алмаза идентичны, и они являются природными проявлениями одного и того же химического элемента, они довольно резко отличаются по своим физическим свойствам и структуре.

Графит — камень, который используют в промышленности

Такие различия обусловлены особенностями строения кристаллической решетки графита. Наличие свободных электронов, которые имеет кристаллическая решетка графита, обуславливает его физические свойства.

Свойства графита

Природный графит представляет собой серое вещество, имеющее слабый металлический блеск. Он имеет высокую степень теплопроводности, которая составляет около 3,55 Вт/град/см. Этот показатель в несколько раз выше, нежели у простого глиняного кирпича. Такая высокая теплопроводность объясняется присутствием в его кристаллической решетке подвижных электронов.

Подвижные электроны обуславливают не только высокую теплопроводность элемента, но и такое физическое свойство, как высокая электропроводимость. Удельное сопротивление материала электрическому току составляет от 0,4 до 0,6 Ом. Такой низкий предел электрической сопротивляемости характерен для всех видов и агрегатных состояний, которые он имеет.

Если рассматривать его химические свойства, то он является инертным и неспособен растворяться в химически активных растворах. Его полное растворение может происходить только в металлах, имеющих высокую точку плавления. При этом процессе образуются карбиды. Такие химические соединения имеют очень разнообразные химические и физические свойства, которые используются для производства современных твердосплавных материалов.

Карбиды являются основой для производства всех твердых сплавов, которые известны на сегодняшний день. Наиболее часто используются соединения углерода с вольфрамом и титаном. Их применение дает возможность для производства режущего инструмента, который обладает такими эксплуатационными характеристиками, как термическая устойчивость и износостойкость.

Низкий коэффициент трения и устойчивость к действию высоких температур делает его незаменимым материалом для производства изделий, основной функциональной задачей которых является обеспечение герметичности различных соединений. Подобные изделия из графита позволяют изготавливать качественные уплотнительные материалы без применения смол и различных неорганических наполнителей.

Для этих целей промышленностью выпускается терморасширенный графит. Для его производства используется природный чешуйчатый графит, который обрабатывается неорганическими кислотами. В результате обработки природного чешуйчатого варианта материала получается эластичный и химически инертный образец, используемый для производства набивок и смазок, используемых для герметизации соединений.

Учитывая то, что аллотропная форма углерода характеризуется определенной кристаллической решеткой, он имеет следующие структурные формы:

• Явнокристаллические
• Скрытокристаллические
• Высокодисперсные материалы, называемые углями

Существует классификация, которая разделяет природные графиты по структуре и размерам кристаллов:

• Плотнокристаллические графиты
• Чешуйчатые графиты

Искусственный и природный варианты

Скопления этого минерала, которые имеют промышленное значение, находятся в Китае, Корее, Индии и Бразилии. Эти страны являются основными поставщиками природного графита на мировой рынок. Залежи графита разрабатываются на Украине, в России, Чехии. В связи с большой потребностью в данном минерале его природные месторождения неспособны удовлетворить возрастающую популярность.

Преимуществом графита, который получают искусственным путем, является его химическая чистота. Содержание углерода в нем составляет 99%. Наибольшая плотность графита наблюдается в рекристаллизованных вариантах. Этот вариант производится путем термомеханических и термохимических обработок. Благодаря таким способам обработки значительно повышаются показатели плотности. Этот показатель крайне важен для теплопроводности материалов.

Из искусственных вариантов этого материала нужно выделить силицированный графит. Этот современный материал получают путем пропитывания пористого графита кремнием. Процесс пропитки производится под действием высокой температуры и давления. В результате такой обработки получается материал, обладающий высокой степенью износостойкости.

Основным достоинством этого материала является низкий коэффициент трения. Этот искусственный вариант используется для производства деталей, работающих при воздействии больших температур, когда не требуется высокая механическая прочность и твердость.

Еще одной разновидностью данного минерала является изостатический графит, получаемый в результате прессования при больших температурах. Основное применение этой разновидности лежит в изготовлении литейных форм. Ее также применяют для производства приборов для нагревания.

Сопротивление при механической резке у этого материала в несколько раз ниже, чем у стали и чугуна. Поэтому изготовление деталей из изостатического графита обходится намного дешевле, чем изготовление аналогичных деталей из других материалов. При этом эксплуатационные характеристики изостатического графита в несколько раз превышают аналоги, которые изготовлены из альтернативных материалов.

Каждая отрасль современной промышленности, которая потребляет этот минерал в качестве исходного сырья для производства определенных изделий, выдвигает свои требования к качеству графита. Поэтому современная промышленность производит достаточно большую номенклатуру сырья на его основе в зависимости от потребностей заказчиков.

Основные сферы применения

Высокая стойкость к температуре, которую имеет природный углерод, обуславливает его основную сферу применения. Это изделия, которые работают в условиях высокой температуры окружающей среды. Например, из них делаются формы, в которых производится закалка различных инструментов.

Природный минерал и препараты, его содержащие, являются основой для таких изделий, как формы для литья, огнеупорные лакокрасочные материалы, смазки для подшипников качения и пр.

При изготовлении электродов с положительным зарядом он способствует улучшению электропроводности. Химическая инертность минерала делает его идеальным сырьем для материалов, которые работают в агрессивных средах.

Материалы, изготовленные на его основе, способны без изменения эксплуатационных характеристик работать в тех сферах, где не могут работать другие конструкционные материалы.

Основные марки

Существует следующая классификация марок этого материала:

• Тигельный
• Литейный
• Элементный
• Карандашный
• Электроугольный
• Аккумуляторный

Каждая из этих марок отличается процентным содержанием чистого углерода. Современная промышленность выпускает на основе графита такой инновационный материал, как стеклоуглерод. Этот материал обладает практически нулевой пористостью. Этот показатель крайне важен для эксплуатационных характеристик.

Основная сфера применения лежит в изготовлении химически стойкой посуды. Он способен выдерживать температуры до 3000 градусов. Причем такую температуру он способен выдерживать как в условиях вакуума, так и в условиях агрессивной окружающей среды.

В последнее десятилетие интерес к этому минералу значительно возрос. На основе волокон углерода производятся следующие виды современных материалов:

• Углеродные волокнистые материалы
• Углеродные волокнистые сорбенты
• Углепластики
• Композиционные материалы на основе углеродного волокна

Особое внимание уделяется использованию углепластиков, которые находят все более широкое применение в машиностроении, химической промышленности и во многих других сферах. Их применяют в качестве альтернативы металлическим изделиям. По прочности они не уступают изделиям из металла, а вот по таким параметрам, как коррозионная стойкость и стойкость к высоким температурам, значительно их превосходят.

В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.

Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.

Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.

Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Даны следующие физические свойства графита различной плотности:

• теплопроводность графита, Вт/(м·град);
• сопротивление разрыву, МН/м 2 ;
• модуль упругости графита, МН/м 2 ;
• удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
• удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
• коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.

Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры.
Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.

Приведены следующие свойства углерода (графита):

• коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
• удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности .

По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 . Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м 3 .

В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м 3 в зависимости от температуры.

Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).

Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается .

Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней.
Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.

Теплопроводность измельченного графита

В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С.
Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см 2 и сухая сажа).

Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 .

Теплопроводность слоя графитовых частиц в зависимости от его пористости

В таблице представлены значения теплопроводности слоя графитовых частиц (частиц углерода) при пористости от 0,4 до 0,7. Следует отметить, что при увеличении пористости слоя его теплопроводность снижается.

Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры.
КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе .
Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.

Теплоемкость углерода в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.

Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.

Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах

В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.

Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).

По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.

Источники:
1. Агроскин А.А., Глейбман В.Б. Теплофизика твердого топлива. М., Недра, 1980 — 256 с.
2.
3. .
4. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.